混氢天然气管道输送技术及难点研究

2022-11-30上海天然气管网有限公司

上海煤气 2022年5期

上海天然气管网有限公司魏星

全球能源行业正经历着以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革。中国已明确要实现在2030年碳达峰，2060年碳中和的目标。氢能作为清洁能源，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取，氢能将成为第三次能源变革的重要媒介。氢能一方面可以实现脱碳电力的消纳，增加电网的弹性；另一方面可以减少对化石能源的依赖，对我国“碳中和”目标至关重要。大力发展氢能，将有助力实现碳达峰、碳中和。氢能利用中的输送问题，特别是混氢天然气管道的输送问题，成为当前的研究热点。

1 混氢天然气管道输送国内外现状

氢能利用离不开制氢、储存、输送、使用等环节。混氢天然气管道输送是解决氢气输送环节的一项重要技术方向。近年来，国际上对混氢天然气的研究日益增多[1]。目前，许多国家正在评估天然气管网设施用于输送混氢天然气的可行性。

进入 21世纪以来，欧洲国家率先开始进行天然气掺氢的研究和示范项目，例如欧盟“天然氢”(Natural Hydrogen)项目、荷兰“可持续阿默兰岛”(Sustainable Ameland)项目、德国DVG项目、法国 GRHYD项目、英国 Hydeploy项目和“H21利兹市门”(H21 Leeds City Gate)项目等。其中，部分示范项目中的最高掺氢比例已达到20%，证实了在特定条件下掺氢的可行性。此外，俄罗斯天然气工业股份公司近期宣布将逐步提高通往欧洲的“北溪2号”天然气管道中的氢气含量，减少二氧化碳排放以提升其气质的竞争力。

我国天然气管道网络系统框架已基本形成，天然气管道输送技术成熟。截止至 2018年年底，我国天然气干线管道总长度达7.6万km，具有很好的硬件基础。中国目前也在建设示范项目。如 2019年，国家电力投资集团有限公司与浙江大学主持建设了“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”，掺氢比例为5%。

2 混氢天然气管道输送技术路线及产业链

混氢天然气管道输送已构成了完整的产业链，包括制氢、混氢、分离及应用等多个环节，应用端也涵盖多个领域，用途广泛。

2.1 技术路线及优势

利用混氢天然气管道进行氢气输送，是指在现有天然气管道体系中掺入一定浓度的氢气，形成氢气天然气混合气体来进行运输的技术，如图1所示。根据终端用户的需求，氢气天然气混合气体既可以作为燃料直接使用，也可以在管道下游分离出氢气使用。混氢天然气输氢技术具有如下优势：

图1 混氢天然气管道输送及相关技术线路

(1) 氢源多元化。可以利用多种来源的氢气和含氢气体。

(2) 低成本。利用现有天然气管道设施，可实现氢气的低成本和长距离运输。

(3) 低碳排放。可为广大用户提供低碳的清洁燃料。

混氢天然气技术被认为是一种实现氢低成本输送的方法。混氢天然气输氢技术不仅能提高能源系统的整体利用效率，而且有望结合多种氢能技术，成为迈向“氢经济”的重要过渡性技术[2]。

2.2 产业链

氢能产业链包括制氢、储氢、加氢站、氢燃料电池应用等多个环节，目前我国已初步建立起氢能全产业链。其中制氢端方面，我国拥有丰富的氢能供给，约占全球氢能供给三分之一，储、运、加氢等基础设施建设有序进行，氢燃料电池性能已满足商业化需求[3]。按照《2022年中国氢能产业发展白皮书》发展规划，未来我国氢能发展将分阶段稳步进行：

(1) 制氢产业。短期优先选用工业副产氢，中期采用化石能源制氢结合碳捕捉技术，长期采用可再生能源电解水制氢。

(2) 氢能储运。将按照“低压到高压”“气态到多相态”的技术发展方向，逐步提升氢气的储存和运输能力。

(3) 加氢站。有机液体储氢是利用某些不饱和有机物与氢气进行可逆加氢和脱氢反应，实现氢的储存，加氢后形成的液体有机氢化物性能稳定，安全性高。

(4) 燃料电池系统。将持续围绕功率、性能、寿命、成本四大要素而发展，具体应用集中在交通领域，从商用车切入、乘用车跟进。

3 混氢天然气管道输送技术研究

混氢天然气管道输送主要包括掺氢环节、输送环节和用户环节。国内外学者对混氢天然气管道输送各环节涉及到的技术研究非常广泛，也取得了一些成果。

3.1 掺氢环节

将氢气掺入天然气管道中输送，首先需要确定合适的掺氢比，但掺氢比受多个因素制约，国内外目前尚无统一确定标准。

芬兰、瑞士、奥地利、西班牙等欧洲国家规定天然气管道中掺氢比上限分别为1%、2%、4%、5%；澳大利亚可再生能源署指出，掺氢比小于10%时不会对天然气管道、设备及法规等有明显影响；德国规定天然气管网的掺氢比上限为2%(个别为10%)。

根据当前中国现行的标准规范，向天然气中掺入一定氢气是符合要求的。GB/T 33445-2016《煤制合成天然气》标准中对氢气体积分数高限的设定为3.5%；GB/T 37124-2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》标准中规定，允许不超过3%(体积比)的氢气进入天然气管道中。

但是，我国针对掺氧天然气环境下材料相容性的研究较少，无法考虑氧气与硫化氢、一氧化碳及二氧化碳等气体的综合影响。因此，必须研究一定掺氢比例下管道材料的力学性能，以确定我国天然气管网可接受的安全的掺氢比例。

3.2 输送环节

目前常用的氢气输送方式主要有液氢槽罐车输送、高压氢瓶长管拖车输送和液氢驳船输送等，但成本较高、效率较低。将氢气以一定比例掺入天然气中，然后利用天然气管道或管网进行输送，是实现氢气大规模输送的有效方式。与车载输送和船载输送方式相比，利用管道输送混氢天然气可充分利用我国现有在役天然气管道和城市输配气管网，较容易实现氢气大规模、长距离输送，而且管道或管网的改造成本较低。

国际上已发布了一些适用于氢气输送管道的相关标准，比如美国ASME B31.12-2019、欧洲压缩气体协会的 CGAG-5.6-2005、亚洲工业气体协会的AIGA 033/06-2006等。ASMEB31.12-2019标准适用于将氢气、氢气混合物及液氢从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道，但不适用于氢气体积分数＜10%的管道系统。CGA G-5.6-2005适用于氢气及氢气混合物的输送和配送系统，但只适用于氢气摩尔分数大于10%，或氢气摩尔分数小于10%且CO含量大于200 μL/L的管道系统。

国内关于氢气管道的标准有 GB 50177-2005《氢气站设计规范》、GB/T 34542.2-2018《氢气储存输送系统第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》等。GB 50177-2005适用于新建、改建、扩建的氢气站、供氢站及厂区和车间的氢气管道设计。GB/T 34542.2-2018规定了含氢混合气环境中材料原位力学性能的测试方法。上述标准对混氢天然气管道相关标准规范的制定具有一定借鉴意义。

3.3 用户环节

对于终端用户，由于氢气与天然气的基本性质差别较大，掺氢后天然气的密度、热值、燃烧特性等发生改变，而燃气灶具、燃气发动机、锅炉及燃气轮机等燃烧设备由于各自燃烧性能的不同，对可接受的掺氢比范围也不同，需充分考虑掺氢后的燃气互换性及掺氢对燃烧性能的影响。对混氢天然气燃烧特性指数的计算表明，当掺氢比为30%时，混氢天然气的热值降低了21%，沃泊指数降低了10%，而燃烧势增加了48%，同时爆炸上限增加了31%。对使用混氢天然气的炉灶进行实验研究表明，将天然气的掺氢比逐渐增加至回火极限，发现当掺氢比达到34.7%时为燃烧上限，此时会出现明显的回火现象。为合理确定掺氢比上限，需根据对热值、燃烧势及燃爆范围等的要求，综合确定满足燃气互换性的掺氢比上限。由于不同判别方法判断燃气互换性的指标和侧重点不同，最终得到的掺氢比上限也存在差异。研究表明，燃气互换性及燃具要求的合理掺氢比上限为20%～27%。

4 混氢天然气管道输送技术的难点

与甲烷相比，氢气具有化学活性强、密度小、爆炸区间范围宽、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点，会使管道材料的强度、塑性和韧性等力学性能发生劣化，影响管道的整体安全性。同时，天然气中混入氢气后，将改变管道内原有天然气的气质条件，从而对管道系统的运行工况、设备性能、安全维护及终端用户产生影响[1]。对于管道掺氢输送带来的材料氢损伤、管网系统适应性和终端用户影响等问题的研究尚不充分，是混氢天然气管道输送面临的主要挑战。

4.1 氢相容性

天然气掺氢后，管道本体、焊缝、配件、压缩机等均暴露在高压富氢环境中。除了常规天然气管输面临的土壤腐蚀、应力腐蚀和酸性气体腐蚀之外，由于氢含量显著增加，局部氢浓度饱和会引起材料塑性下降，诱发裂纹或产生滞后断裂，发生氢脆，进而影响管网系统的安全运行。

4.1.1 管材的氢相容性

混氢天然气会使管道材料的强度、塑性和韧性等力学性能发生劣化，进而影响管网服役的安全性。研究表明，与空气环境相比，材料在含氢环境中的强度变化不大，但延性、疲劳性能和断裂韧性劣化明显。管线钢拉伸性能的劣化程度随着加载速率、氢气压力和应力的增大而增加；疲劳性能与氢气压力、应力比、加载频率、微观组织结构等有关，压力升高、应力比增大、加载频率减小都会引起疲劳裂纹扩展速率加快；断裂韧性与加载速率、氢气压力、晶粒尺寸、马氏体/奥氏体含量等多种因素有关，加载速率降低、氢气压力升高通常会导致断裂韧性损减[4]。目前，含氢环境下管线钢的拉伸性能和疲劳性能研究较多，但断裂韧性相关研究成果较少，有待进一步研究。

我国天然气管道材料主要是钢质，氢脆对不同牌号钢材的影响不同，但都会导致材料性能恶化。小尺寸零件如螺栓、弹簧、铆钉等由于其加工成型时变形量大，晶粒粒径小，更容易发生氢脆问题[5]。同时，氢脆不仅影响管道材料，而且影响气体压缩机、管道阀门中的部件。此外，氢脆还很容易发生在管道的焊接部位，因此，更需要优化管道的处理工艺。

4.1.2 设备掺氢的适应性

整个天然气管网系统所用到的设备都存在对混氢天然气适应性的问题，特别是一些关键设备。

(1) 储存设备和动设备。天然气管网中储存设备主要是天然气储罐、储气井，目前尚未见氢相容性方面的研究成果。天然气管网动设备主要是压缩机。往复式压缩机的动力机构是独立于工作介质工作的，无需考虑掺氢对设备带来的影响，而离心式压缩机的叶轮与混氢天然气接触，材料可能受其影响。为满足相同能量需求，掺入氢气后离心式压缩机的旋转速度需提高，该旋转速度会受到材料强度的限制，而该强度也会受到掺入气体中的氢的影响，对离心式压缩机的组件和密封性能提出了更高要求。

(2) 用户终端。用户终端对混氢天然气的适应性也是需考虑的重要问题。家用燃气具对燃气的适应性有两个主要指标，即华白数和燃烧势。计算表明，掺入10%氢气时，这两个评价指标都在燃气的可互换区间内。通过对照12 T基准天然气华白数和燃烧势的范围，计算出满足燃气互换性要求的天然气极限掺氢比例为 23%。家用燃气具对掺氢比例20%以下的混氢天然气适应性良好。但是不同应用场景、不同性质、不同厂家等用户终端的可掺氢比例范围还没有形成定论，仍需进一步进行混氢天然气适应性研究。

4.2 渗漏

管道输送过程中混氢天然气的泄漏是一种连续泄漏，通常会产生气体积聚的现象，可能引起窒息危险，遇明火容易发生燃爆，故需对气体的泄漏与积聚进行研究。泄漏可以分两种情况：一种是渗漏，主要发生在管道壁面和接触密封处，渗漏速度较慢；另一种是意外情况下的泄漏，主要是由自然灾害及操作问题等引起的泄漏，泄漏速度较快。

正常工况下，混氢天然气配送管网发生的泄漏主要是渗漏。渗漏气体大部分是通过管道壁面渗透。由于氢比天然气中的其他分子体积更小，所以对管网中渗漏问题的研究显得非常重要。在天然气管道系统使用的典型管道材料中，氢气的渗漏速率一般比甲烷快 4～5倍；另外，在接触密封处也存在着气体渗漏问题。

天然气配送系统大多使用弹性体材料密封，相对于天然气，它对氢气的渗漏速率的影响更大。

理论计算表明，若有20%氢添加到天然气管道系统中，气体渗漏损失几乎是系统仅输送纯天然气时的2倍。虽然从经济性角度考虑时其影响较小，但是在狭小空间内，随着时间的推移渗漏气体的积累可能会带来安全问题。